CN109915657A - 深海立管防碰撞系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深海立管防碰撞系统及方法，其能够用于防止相邻的深海立管之间因碰撞导致的立管失效。上述防碰撞系统主要包括监测模块、防碰撞模块和控制模块，监测模块能够检测相邻立管之间的距离；当监测模块检测到上述距离小于安全距离时，监测模块给控制模块发送信号，控制模块控制防碰撞模块启动。由于相邻立管的电磁铁的磁性相同，因此，当相邻立管之间的距离小于安全距离时，电磁铁的排斥力能够防止立管之间的碰撞。本发明通过上述得到的深海立管防碰撞方法，其采用了上述防碰撞系统，通过设置时间t的安全阈值，还能够改变安全距离的大小；从而更有效地防止立管之间的碰撞。

Description

深海立管防碰撞系统及方法

技术领域

本发明涉及深海油气钻探设备领域，具体而言，涉及一种深海立管防碰撞系统及方法。

背景技术

在深海油气田开发系统中，海洋立管是连接水上浮式及水下生产系统的关键结构。浅水的立管都是钢管固定在平台的桩腿上的，而深海中的立管有各式各样的变化，其往往是浮动的；部分油田中，还采用柔性立管。

然而，深海立管长期受到复杂的环境载荷以及功能载荷的影响，在外部载荷与管内油气的共同作用下(特别是在极端海况下)相邻立管可能会发生碰撞。立管间的碰撞会造成结构的局部损伤，严重影响其使用寿命，甚至可能引发次生灾害。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种深海立管防碰撞系统，其能够用于防止相邻的深海立管发生碰撞。

本发明的另一目的在于提供一种深海立管防碰撞方法，其采用了上述深海立管防碰撞系统。

本发明是这样实现的：

一种深海立管防碰撞系统，包括：

监测模块，所述监测模块包括测距传感器，所述测距传感器用于监测相邻立管之间的距离；

防碰撞模块，所述防碰撞模块包括电磁铁，所述电磁铁用于与立管的管壁连接；

控制模块，所述控制模块分别与所述监测模块和所述防碰撞模块电连接，用于接收所述监测模块的信号，并能够控制所述电磁铁通电断电。

进一步；

所述监测模块还包括速度传感器、角速度传感器，所述速度传感器和所述角速度传感器用于测量立管的加速度及角速度。

进一步；

所述防碰撞模块还包括依次连接的逆变器、升压器、大电流发射器、整流器；所述整流器与所述电磁铁电连接。

进一步；

所述电磁铁包括硅钢芯、超导线圈和密封套，所述超导线圈套设在所述硅钢芯上，所述密封套套设在所述超导线圈上形成液氮通道；

所述防碰撞模块还包括液氮喷射装置，所述液氮喷射装置与所述液氮通道连接。

进一步；

所述硅钢芯是由硅钢30Q120制成，所述超导线圈是由钇钡铜氧制成，所述密封套是由高分子聚乙烯绝热材料制成。

一种深海立管防碰撞方法，使用了任一项所述的深海立管防碰撞系统，包括以下步骤：

a.测量相邻两个立管之间的距离；利用超声波发射器发射超声波，并利用超声波接收器接收反射回来的超声波，记录发射后接收到超声波所用的时间t；并将该数据传递给控制模块；

b.当上述时间t小于安全阈值时，启动防碰撞模块；否则，继续执行a步骤。

进一步；

所述b步骤中还包括检测多个所述时间t的变化是否存在突变。

进一步；

还包括检测立管各部位的加速度和/或角速度，当加速度或角速度的变化值大于安全阈值时，将该信号传递给控制系统。

进一步；

b步骤中，还包括利用高压液氮喷向电磁铁的超导线圈，形成超导环境。

进一步；

还包括利用海洋能产生直流电，经过逆变器转变为交流电，交流电经过升压器进行升压，并经过大电流发射器和整流器，并将整流过的电流送入到电磁铁中。

本发明的技术方案的有益效果包括：

本发明通过上述设计得到的深海立管防碰撞系统，多个测距传感器连接在立管的周围；当其检测到相邻立管之间的距离小于安全距离时，测距传感器发送信号给控制模块，控制模块启动防碰撞模块中的电磁铁。由于相邻立管的电磁铁的磁性相同，因此，当相邻立管之间的距离小于安全距离时，电磁铁的排斥力能够防止立管之间的碰撞。

本发明通过上述得到的深海立管防碰撞方法，其采用了上述防碰撞系统，通过设置时间t的安全阈值，还能够改变安全距离的大小；从而更有效地防止立管之间的碰撞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的深海立管防碰撞系统的示意图；

图2是本发明实施方式提供的测距传感器的结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的测距传感器与立管的装配结构示意图；

图4是本发明实施方式提供的电磁铁的机构示意图；

图5是本发明实施方式提供的深海立管防碰撞系统的工作流程图。

图标：1-立管；2-安装架；3-电磁铁；4-硅钢芯；5-超导线圈；6-隔绝套；7-密封套；8-液氮通道；9-测距传感器；10-超声波发射器；11-超声波接收器。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

请参考图1，本实施例提供了一种深海立管1防碰撞系统，其能够用于防止相邻的深海立管1之间因碰撞导致的立管1失效。上述防碰撞系统主要包括监测模块、防碰撞模块和控制模块(即中心控制系统)，监测模块能够检测相邻立管1之间的距离；当监测模块检测到上述距离小于安全距离时，监测模块给控制模块发送信号，控制模块控制防碰撞模块启动。

具体地，监测模块包括测距传感器9、速度传感器、角速度传感器和信号传输装置；上述传感器均与深海立管1连接，分别用于测量相邻深海立管1之间的距离、深海立管1的移动速度和加速度，并通过信号传输装置将上述测量数据传递给控制模块。

鉴于深海环境昏暗复杂，所以不采用光学仪器进行监测。当深海立管1发生碰撞之前，深海立管1的位置关系将发生变化。基于这一变化而采用超声波传感器作为立管1间距监测的主要工具。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播，测量准确，无接触，防水，防腐蚀，低成本等优点；对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

请参考图2，本实施例中的测距传感器9包括安装基板、发射器和接收器，发射器和接收器连接于安装基板的正面，安装基板还用于与立管1连接。

上述速度传感器和速度传感器可以为控制模块提供各个立管1在水下环境内的运动状态数据，主要是各部位的速度和角速度。当有立管1受环境影响而撞向其它立管1，或是几根立管1将要互相发生碰撞时，它们呈现的移动速度和角速度将会发生较大的变化。当控制模块接收到这一超出安全阈值的速度、角速度变化时，再根据超声波测距传感器9所接受到的距离值，就可以进行警戒和防碰撞的判定工作。在其它实施例中，也可以检测角速度或角加速度的变化情况。

防碰撞模块包括依次电流连接的逆变器、升压器、大电流发射器、整流器和电磁铁3。

请参考图3，电磁铁3安装在圆环形的安装架2上，安装架2套设在深海立管1上，多个电磁铁3均匀分布在安装架2的外圆周壁上。

请参考图4，上述电磁铁3包括硅钢芯4、超导线圈5、隔绝套6和密封套7；其中，硅钢芯4为圆柱状，位于中央，超导线圈5套设在硅钢芯4上，隔绝套6套设在超导线圈5上；密封套7套设在最外面，防止海水进入到超导电磁铁3内部。隔绝套6和超导线圈5之间形成了液氮通道8，防碰撞模块还设置了液氮喷射装置，液氮喷射装置和液氮通道8连接，从液氮罐快速冲出的高压液氮在超导线圈5液氮通道8内气化吸热，由于液氮通道8空间较大，液氮在此区域与超导线圈5能充分接触，可以在很短的时间内实现超导环境。密封套7和隔绝套6由高分子聚乙烯材料组成，可以实现99％热量的隔绝，所以超导低温的耗散比较少，隔绝套6能保护好硅钢芯4。本实施例中的硅钢芯4采用了硅钢30Q120制成的，超导线圈5采用了钇钡铜氧制成。相对于普通的钢铁材料，采用硅钢30Q120能够承受比较大的冲击，使其能够产生比较大的电磁力。

请参考图5，深海立管1防撞系统的工作流程如下：

先由超声波发射器10发射超声波，超声波接收器11(接收探头)接收到反射回来的超声波后，由控制模块记录一系列发射到接收所需要的时间t；当这一系列数据的数值变化不连续，即突变时，说明有海洋生物靠近；如果连续变化，则检测时间t是否超过安全阈值，超过安全阈值，则启动防碰撞模块；低于安全阈值，则继续记录下一个超声波发射到接收的时间。另外，当时间t的竖直变化连续时，还要检测加速度变化即加速度变化是否正常，如果不正常，就启动防碰撞模块，否则，就继续记录下一个超声波发射到接收的时间。

实施例2：

本实施例提供了一种深海防碰撞方法，其采用了实施例1提供的深海防碰撞系统，其主要包括以下步骤：

a.测量相邻两个立管1之间的距离；具体地，先利用超声波发射器10向周围发射超声波，当接收器收到反射回来的超声波后，记录从发射到接受所用的时间t；并将该数据传递给控制模块。另外，监测模块还实时测量立管1移动的速度和转动的角速度。

b.当上述时间t小于安全阈值时，控制模块中的报警装置报警，给液氮通道8通入高压液氮形成超导环境；并给防碰撞模块中的电磁铁3通电；由于相邻的立管1上电磁铁3的磁性相同，因此，电磁铁3的排斥力能够有效避免立管1碰撞。另外，当移动速度或转动角速度大于安全阈值时，控制模块中的报警装置报警。

进一步，为了给电磁铁3供电，海上工作平台上设置了海洋能发电装置，其能够产生288V、100A的直流电，经过逆变器装置，将直流电转变为交流电，产生的交流电经过升压器变成大电流发生器的工作电压，然后经过大电流发生器和整流器，产生5000A的直流电流，5000A大电流经过外层为特殊绝缘材料的电缆线送入超导装置中，产生强磁场。

为了避免海洋环境中的生物对检测结果准确性的影响，控制模块中对于突变的回波时间信号进行了过滤，防止误操作。当有海洋生物进入超声波测距传感器9的超声波检测范围时，接收探头会接收到突变的回波信号；而当立管1互相靠近时，基于超声波较高的发射频率，超声波测距传感器9的接收探头会采集到逐步变化的超声波回波信号。利用这一特点而采用超声波测距传感器9，通过分析各个立管1上接收的回波信号，就能分析出究竟是海洋生物的闯入还是来向立管1进入了警戒范围。

上述控制模块包括单片机，关于单片机的具体电路结构，请参考《80C51单片机仿真设计实例教程--基于Keil C和Proteus》清华大学出版社ISBN978-7-302-41682-1或《单片机原理及应用》作者：冯文旭等著、出版日期：2008-08-01、版次：1ISBN：9787111243953、出版社：机械工业出版社。上述侧距传感器、超声波发射器10和超声波接收器11均可以直接购买。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深海立管防碰撞系统，其特征在于，包括：

监测模块，所述监测模块包括测距传感器，所述测距传感器用于监测相邻立管之间的距离；

防碰撞模块，所述防碰撞模块包括电磁铁，所述电磁铁用于与立管的管壁连接；

控制模块，所述控制模块分别与所述监测模块和所述防碰撞模块电连接，用于接收所述监测模块的信号，并能够控制所述电磁铁通电断电。

2.根据权利要求1所述的深海立管防碰撞系统，其特征在于：

所述监测模块还包括速度传感器、角速度传感器，所述速度传感器和所述角速度传感器用于测量立管的加速度及角速度。

3.根据权利要求1所述的深海立管防碰撞系统，其特征在于：

所述防碰撞模块还包括依次连接的逆变器、升压器、大电流发射器、整流器；所述整流器与所述电磁铁电连接。

4.根据权利要求1所述的深海立管防碰撞系统，其特征在于：

所述电磁铁包括硅钢芯、超导线圈和密封套，所述超导线圈套设在所述硅钢芯上，所述密封套套设在所述超导线圈上形成液氮通道；

所述防碰撞模块还包括液氮喷射装置，所述液氮喷射装置与所述液氮通道连接。

5.根据权利要求4所述的深海立管防碰撞系统，其特征在于：

所述硅钢芯是由硅钢30Q120制成，所述超导线圈是由钇钡铜氧制成，所述密封套是由高分子聚乙烯绝热材料制成。

6.一种深海立管防碰撞方法，使用了权利要求1至5任一项所述的深海立管防碰撞系统，其特征在于，包括以下步骤：

a.测量相邻两个立管之间的距离；利用超声波发射器发射超声波，并利用超声波接收器接收反射回来的超声波，记录发射后接收到超声波所用的时间t；并将该时间数据传递给控制模块；

b.当上述时间t小于安全阈值时，启动防碰撞模块；否则，继续执行a步骤。

7.根据权利要求6所述的深海立管防碰撞方法，其特征在于：

b步骤中还包括检测多个所述时间t的变化是否存在突变。

8.根据权利要求6所述的深海立管防碰撞方法，其特征在于：

还包括检测立管各部位的加速度和/或角速度，当加速度或角速度的变化值大于安全阈值时，将该信号传递给控制系统。

9.根据权利要求6所述的深海立管防碰撞方法，其特征在于：

b步骤中，还包括利用高压液氮喷向电磁铁的超导线圈，形成超导环境。

10.根据权利要求6所述的深海立管防碰撞方法，其特征在于：

还包括利用海洋能产生直流电，经过逆变器转变为交流电，交流电经过升压器进行升压，并经过大电流发射器和整流器，并将整流过的电流送入到电磁铁中。